深度：增材制造與傳統(tǒng)制造技術的融合與發(fā)展

來源：中國機械工程
作者：宋波  文世峰  劉潔  閆春澤  魏青松  史玉升*
華中科技大學材料成形與模具技術國家重點實驗室

導讀：增材制造（Additive Manufacturing, AM）技術與傳統(tǒng)的等材制造技術（鑄、鍛、焊等）和減材制造技術（切削加工等）相比，雖然發(fā)展歷史不到30年，但已顯示出了其獨特的優(yōu)勢和發(fā)展?jié)摿�。目前來看，增材制造技術不是對傳統(tǒng)制造技術的替代，而是彌補傳統(tǒng)制造技術的缺陷，從而促進和提升傳統(tǒng)制造業(yè)。本文主要介紹華中科技大學材料成形與模具技術國家重點實驗室在AM技術與熔模鑄造、熱等靜壓、注塑模具等與傳統(tǒng)制造結合技術的研究成果及其應用情況。在改造和提升傳統(tǒng)熔模鑄造技術上，主要介紹了AM熔模的材料、復合成形的應用案例等；在與等靜壓的結合方面，主要介紹了金屬件的AM/等靜壓復合成形工藝與過程模擬等；在與注塑模具結合方面，主要介紹了AM成形隨形冷卻流道注塑模與傳統(tǒng)工藝成形注塑模的性能對比等。

1增材與鑄造復合制造
熔模鑄造生產的金屬零件具有表面粗糙度、尺寸精度高、形狀復雜等特性。該方法特別適合于近凈成形制造具有復雜結構的零件，然而，熔模鑄造模具的質量是決定鑄造零件性能的一個重要的因素，對于復雜結構零件的整體鑄造，熔模模具的制造對于傳統(tǒng)加工方法是一個關鍵技術難題，將決定原材料的消耗及時間成本，因此，有必要探索和發(fā)展制造復雜鑄造模具新工藝路線，而激光選區(qū)燒結技術(selective laser sintering,SLS)對于復雜結構的熔模具備強大的制造能力。

當前，人們已開展對多種聚合物粉末激光選區(qū)燒結研究，如尼龍（PA）、聚碳酸酯（PC）、聚苯乙烯（PS）、ABS、蠟等的激光選區(qū)燒結方法。然而，對于熔模鑄造使用的蠟模材料，不僅要考慮激光選區(qū)燒結制造原型件的強度和精度，更要考慮結殼或石膏型的脫蠟工藝，因此，激光選區(qū)燒結制造過程中所用的材料最好能夠在脫蠟過程中完全脫除或燒失，留下的殘留物越少越好（滿足精密鑄造的要求）。蠟是熔模鑄造中用得最多的一種優(yōu)良模料，雖然國內外都對蠟的激光選區(qū)燒結成形過程進行了大量的研究，但激光選區(qū)燒結從蠟材料制作熔模的變形問題 一直沒有得到很好的解決。PC材料具有良好的激光燒結性能，制件的部件強度較高，是最早用于鑄造熔模和塑料功能件的聚合物材料。但PC的熔點很高，流動性不佳，需要較高的焙燒溫度，因而現(xiàn)已被PS所取代。綜合來看，激光選區(qū)燒結技術制備PS材料具有一定的優(yōu)勢，然而，其成形件強度較低、易斷，不適合制備具有精細結構的復雜薄壁大型鑄件的熔模。然而，當前PS仍然是增材制造技術制作熔模鑄造用蠟模的最常用材料。增材制造蠟模包含兩個過程，首先，基于SLS技術用PS粉末制造原型模具，然后，通過滲蠟處理改善原型模具的孔隙率和表面完整性。針對PS力學性能差的問題，華中科技大學材料成形與模具技術國家重點實驗室研究了以高抗沖聚苯乙烯（HIPS）為基體的高強度蠟模材料，HIPS是經改性的PS，該材料在大幅提高PS沖擊強度的同時對材料其他性能的影響較小，較適合激光選區(qū)燒結成形熔模鑄造所需的模具原型件。

整體化和短流程是鑄造工藝發(fā)展趨勢，但傳統(tǒng)方法很難滿足這些要求。為此，本實驗室將增材制造技術與傳統(tǒng)鑄造方法相結合，不但解決了飛機發(fā)動機機匣（蠟型）、高溫合金葉片（陶瓷型）、汽車發(fā)動機缸蓋（砂型）等復雜件的整體鑄造難題，而且也將鑄件交貨時間由傳統(tǒng)方法的3個月以上縮短為1周左右。通過這種復合制造，許多實際應用問題被解決。圖1展示了飛機艙門及十字連接件的成功應用實例。該類零件具有外形尺寸大（接近1 m）、壁薄（厚度為3~5 mm）、多筋、曲面等特殊尺寸和形狀特征，傳統(tǒng)機加工和模具方法制作蠟模存在加工時間長、難以整體成形和精度難控等難題。增材制造與熔模鑄造相結合對飛機部件的整體鑄造提供了一個可行的解決方案。高抗沖聚苯乙烯（HIPS）部件采用SLS制造原型，然后通過滲蠟處理得到用于鑄造的蠟模，采用傳統(tǒng)的精密鑄造技術制造目標零件，如圖2所示。另外，關于制造成本，開展了增材與鑄造復合制造和傳統(tǒng)金屬注射制造之間的比較。研究發(fā)現(xiàn)，艙門和十字接頭部分的兩蠟模，設計、處理時間約為一周，而采用傳統(tǒng)的金屬注塑，模具設計制作，加工和蠟將花費大約9周的時間，是復合制造時間的9倍。

（a）飛機艙門HIPS原型件

（b）十字接頭HIPS原型件

圖1  SLS制作的大型蠟模

（a）飛機艙門

（b）十字接頭

圖2  熔模鑄造鈦合金零件

總的來說，增材與鑄造復合制造模式，對于整體化和短流程鑄造工藝，起到了改造和提升作用。

2AM與傳統(tǒng)熱等靜壓結合
粉末熱等靜壓(hot isostatic pressing,HIP)成形是一種粉末冶金技術，其原理就是將粉末用金屬包套封裝后放置在熱等靜壓爐中，升溫到材料熔點的三分之二左右，通過溫度和壓力的作用，使粉末發(fā)生冶金結合，形成的零件致密度高，性能均勻。熱等靜壓過程需要一個控制零件形狀及盛裝粉末的密封容器，即包套，這個包套實際上就是一個模具。熱等靜壓近凈成形包括包套的設計、包套成形與拼接、粉末的封裝，最后進行熱等靜壓成形。根據(jù)最終部件所用材料，采用AM技術制成一個完整的同質包套，不用其他輔助工藝，熱等靜壓后包套和內部粉末形成一個致密的實體，完成后就不必除去包套。因此，AM和熱等靜壓結合的復合加工技術可以降低生產成本和縮短交貨時間。此外，采用AM和熱等靜壓結合制備的部件可以達到接近100%的致密度。雖然包套中不可避免會有一些孔隙的存在，但是由于孔洞都是非連通的，且孔洞較少，在包套壁厚度大于2 mm的情況下，可以保證包套的氣密性。

在熱等靜壓近凈成形技術中，包套與控形型芯的設計與制造是關鍵技術之一，其成本占總成本的60%以上，且零件越復雜越難制造，所占成本越高。使用傳統(tǒng)的機械加工方法來制造包套和型芯，對特別復雜的零件，加工難度非常大，有的甚至無法加工。針對該問題，華中科技大學材料成形與模具技術國家重點實驗室創(chuàng)新性提出應用AM技術快速、低成本成形無需去除的熱等擠壓復雜同質包套，用熱等靜壓致密包套中金屬粉末來直接整體成形零件，研究采用AM/熱等靜壓復合成形方法，來實現(xiàn)熱等靜壓用復雜控形包套和控形型芯快速低成本制造，以克服傳統(tǒng)方法制造復雜包套和型芯的工藝難題。大大降低了設計與制造不兼容性，可以制造傳統(tǒng)制造方式無法加工的復雜結構，是能夠有效應用的快速成形技術之一。

圖3為AM/HIP復合成形的工藝路線示意圖。傳統(tǒng)熱等靜壓工藝一般是用軟鋼作為包套，熱等靜壓后通過酸洗去除包套。而采用選擇性激光熔化技術直接成形包套，包套在熱等靜壓之后無需去除則有望可以達到目標零件的最終尺寸。

圖3   AM/熱等靜壓復合成形工藝過程

AM和熱等靜壓結合近凈成形部件的致密化過程為：（1）在初始階段，隨著壓力的增加，粉末之間的間隙減少，有的粉末被擠壓進粉末之間的間隙。由于粉末形狀呈球形，根據(jù)球體的堆積原理，粉末之間只有點接觸，相同粒徑的粉末最大堆積密度只能達到53%。在不同粒徑粉末的混合下，其最大堆積密度也只能接近60%。但是隨著壓力的進一步增大，粉末發(fā)生塑性變形，點接觸逐漸變成面之間的接觸，減少了球體之間的孔隙。（2）當溫度和壓力進一步升高的時候，粉末顆粒已經完全發(fā)生了塑性變形，顆粒之間發(fā)生擴散蠕變，形成冶金結合，孔隙進一步消失，最終形成致密的實體。


圖4是在計算機使用Marc軟件模擬零件在熱等靜壓過程中的密度變化。在建立模型時充分考慮了模型的對稱性，在不影響分析精度的前提下，利用模型的對稱性可以大幅度減少網(wǎng)格的單元和節(jié)點數(shù)，減少計算時間。由于包套形狀的軸對稱以及兩端對稱性，在建立模型是選取整體的1/4進行分析。包套材料為316L不銹鋼，內部填充粉末材料為316L不銹鋼粉末。通過模擬研究包套封閉下的金屬粉末在壓力和溫度作用下，包套收縮引起的密度變化。圖中5個過程可以清楚的看到零件隨著時間的推進，包套在不斷收縮，內部粉末致密度不斷提高，最后達到致密的狀態(tài)。由圖可以看出，在HIP后，包套和內部粉末在壓力和溫度的作用下，充分融合在一起。由于包套是由AM成形而成，在高溫作用下，由AM成形形成的細小晶粒長大后形成大的晶粒。內部粉末在高溫高壓下，經歷了塑性變形及蠕變過程，粉末顆粒之間完全冶金結合，粉末顆粒邊界已經完全消失，晶粒經過生長和延伸，穿過粉末顆粒邊界，形成較大的晶粒。

圖4  計算機模擬零件熱等靜壓過程中密度變化云圖

在熱等靜壓后，試樣的致密度均有所提高。由于AM成形的試樣致密度在97%以上，所以其內部孔隙較少，且均為封閉的孔洞，在高溫高壓下，孔洞被進一步壓縮，有的孔洞被壓縮后，內部氣體逸出，孔洞閉合，形成致密區(qū)域。有的孔洞在該壓力下不能完全閉合，形成較小的孔隙。由于孔洞的減少，試樣的致密度得到提升。處理后的試樣致密度最高達到98.4%。

圖5是AM試樣在不同HIP溫度處理后的拉伸曲線 。在三種HIP處理溫度下，AM試樣的強度都相差無幾，均在650 MPa左右。只是隨著HIP溫度的升高，AM試樣的延伸率隨著增加，在1200℃時，其延伸性能最好。由于AM試樣中或多或少的會存在一些孔隙，這些孔隙的存在導致零件的致密度不高。在AM成形零件中，致密度是影響其強度的一個重要因素。在三種HIP溫度處理后，零件的致密度接近，所以其強度也基本相同。

圖5  壓力為120 MPa，不同HIP溫度下的SLM試樣拉伸曲線

3AM技術改造和提升傳統(tǒng)注塑模具性能
模具作為成形的基礎工藝裝備，直接決定著成形件質量，但模具的復雜隨形冷卻流道無法用機加工完成。對于注塑模具，由于注射的塑料溫度高達250℃，如果沒有冷卻系統(tǒng)，經過一定時間的使用，模具溫度會升到同熔融的塑料一樣高，無法保證冷卻效果和成形產品質量。為了給模具降溫，則需要在模具的凸模和凹模上設置冷卻水道。由于傳統(tǒng)加工方法的限制，冷卻水道只能加工為直的圓孔或者其他形狀，而模具表面的形狀多呈復雜曲面，這樣便導致了冷卻水道和模具表面的距離不一致，模具各部分散熱效果不同，引起模具表面溫度不一致。模具表面溫度差距大導致冷卻不均勻，注射成形的塑料產品容易發(fā)生翹曲變形，且由于冷卻效果不佳，也導致了冷卻時間過長，降低了生產效率。而采用AM技術成形金屬模具或者鑲塊，根據(jù)模擬結果，可以隨意地設計出隨著產品形狀而改變的冷卻水路，在熱量集中的地方可以加粗冷卻管路或者加快水流速度，以達到最佳的冷卻效果。華中科技大學材料成形與模具技術國家重點實驗室發(fā)明了“一種直接制造金屬零件的增材制造系統(tǒng)”，可直接利用增材制造技術加工緊附于模具型腔表面的冷卻水道，成形出隨形冷卻流道的模具，取得了很好的效果。極大提升了模具冷卻的效率和均勻性，使注塑模具制造的成本和周期分別降低15%和30%，注塑時間縮短30%。成果在深圳兆威和廣東科龍等模具廠得到應用。

3.1注塑模具材料與方法
本實驗室前期研究了采用AM技術間接成形，設計出隨形冷卻流道的方法，取得了很好的效果，但由于間接成形周期長，成本較高，因此，本實驗室研究出采用AM技術直接成形隨形冷卻模具的方法。

如圖6a所示，擬成形一個塑料杯子的模芯，采用螺旋式的隨形冷卻流道，水道截面為圓型，直徑為4 mm。采用316L不銹鋼粉末材料成形金屬模具，粉末粒徑為36 μm，增材制造設備采用本實驗室的HRPM-Ⅱ型AM快速成形設備，圖6b所示為增材制造直接成形金屬模具。

圖6 隨形冷卻流道模型和實物

3.2冷卻效果模擬
圖7展示的是采用商用注塑模擬軟件MPI（moldflow plastic insight）進行注塑過程模擬的結果。圖8a采用的傳統(tǒng)直流道，圖8b采用的隨形冷卻流道。由模擬結果可以看出，隨形冷卻流道模具的冷卻時間約為7 s，采用傳統(tǒng)直流道的冷卻時間約為9 s，隨形冷卻流道的冷卻效率較直流道提高了接近30%，具有較高的冷卻效率，冷卻均勻性也好于傳統(tǒng)直流道。

(a)傳統(tǒng)直流道

(b)隨形冷卻流道

圖7  傳統(tǒng)直流道與隨形冷卻流道冷卻時間的模擬

圖8為利用MPI模擬軟件模擬的模具模型在不同冷卻條件下的變形結果。由圖9可以看出，采用隨形冷卻流道杯子小于采用傳統(tǒng)直流道的翹曲和變形。采用隨形冷卻流道方法成形的零件變形小，且各部分比較均勻。

(a)傳統(tǒng)直流道

(b)隨形冷卻流道

圖8  傳統(tǒng)流道與隨形冷卻流道冷卻均勻性對比

3.3硬度及可加工性測試
對于潛伏式澆口，傳統(tǒng)加工方法是采用機加工方法加工成形后對澆口各瓣進行拼接 。這樣在拼接處會存在縫隙，注塑時，塑料會進入縫隙內，導致澆口表面不光滑，澆口退出時遇到阻力，容易斷在模具內，且加工時間較長。采用AM成形整體式潛伏澆口，然后用電火花進行精細加工的方法，既節(jié)約了時間，又保證了澆口表面的完整性和光滑度。實物圖如圖9所示。

圖9  精密注塑的小型潛伏式澆口實物圖

對AM成形的注塑模具用的潛伏式澆口零件進行硬度測試發(fā)現(xiàn)其硬度較低，只有25HRC。分析表明，在AM成形過程中，上層激光掃描時，會對下層已經熔化凝固的金屬加熱，形成一個退火效應，導致零件的硬度較低。通過對成形零件進行硬化后處理，其硬度可達到40HRC，基本符合成形模具零件的要求。

選用日本牧野AF3 EDM機床，采用石墨電極對潛伏澆口的表面進行光潔處理。先對零件進行粗加工，該工件需要采用C軸旋轉加工，由于該工件的預留量只有0.15 mm，粗加工時采用石墨電極加工，加工參數(shù)跟標準件的參數(shù)一樣，粗加工時間為35min/件。放電過程同常規(guī)加工沒有區(qū)別，加工過程比較穩(wěn)定。粗加工完成后進行精加工，精加工時，由于放電加工過程極不穩(wěn)定，因此積碳現(xiàn)象頻繁。加工難度較常規(guī)材料加工難度大一些。

3.4導熱性能
采用 TC-7000H型激光熱導率測量儀器對試樣進行熱導率測定，測試結果如表3所示。其中1號為全致密的不銹鋼固體樣品，2號和3號樣品為SLM成形的試樣。其中2號試樣測試的導熱方向為z軸方向，3號樣品測試方向為水平方向。由表1可以看出，由SLM制備的零件熱導率稍微低于致密樣品的熱導率，這是由于在SLM樣品中，存在一些微小的不連通的小孔，這些小孔阻止了熱量的傳導，導致金屬零件的熱導率降低。2號和3號樣品熱導率相差不大，不過2號樣品的熱導率稍高于3號樣品的熱導率，這是由于在成形過程中，基板沒有采取加熱措施，基板溫度始終處于較低的溫度，而且基于激光熔池本身的傳熱特征, 凝固始終自熔池底部向熔池頂部進行, 而在凝固過程中液態(tài)金屬與其固相基底始終保持接觸, 熔池與基底界面處的形核過冷最低, 提供了很好的形核基底, 從而導致熔池隨后的冷卻凝固過程呈現(xiàn)出典型的外延柱狀生長特點。在上層激光熔化過程中，熱量從上向下形成一個梯度，導致金屬在結晶時，形成垂直基板的方向，導致金屬零件在z軸方向上，熱導率要高于水平方向的熱導率。

表1  SLM成形的316L的導熱性能

3.5注射成形
將處理好的模具進行裝配，裝配好的模具裝在注塑成形機上進行注塑成形試驗（圖10）。塑料采用ABS，注射壓力為120 MPa，保壓時間為10 s，冷卻時間設為5 s，注射完成后取出產品，產品表面光潔，無缺陷。經過30次注射后測量模芯溫度為46°，模具各部分溫差在1°左右。

圖10 SLM制備的模具與模具注塑現(xiàn)場

4結語
增材制造與傳統(tǒng)制造技術復合，可以在優(yōu)勢上進行互補。對于我國航空航天、模具等關鍵領域，復雜化與個性化零部件整體制造已成為一種發(fā)展趨勢，傳統(tǒng)制造方法中需要使用模具或機械加工制造，其周期長且成本高，利用AM技術可以無需模具直接制造出空間形狀非常復雜的結構，與傳統(tǒng)鑄造、熔模以及等靜壓工藝結合，可以在短時間內制造出航空航天、模具等領域所需的關鍵零部件，大大地節(jié)約了傳統(tǒng)技術中成形所需關鍵零部件的的制作時間，縮短了生產周期。但是，目前AM技術與傳統(tǒng)行業(yè)互補并不深入，還有待更深入的研究。首先，應加大產研合作，加快商業(yè)化材料與設備的研發(fā)，提升原材料的品質與性能，解決材料與設備對增材制造與傳統(tǒng)工業(yè)相結合的限制，促進增材制造在傳統(tǒng)制造領域中的應用。其次開發(fā)增材制造與傳統(tǒng)技術結合的新領域，為增材制造與傳統(tǒng)制造業(yè)的結合帶來更多的機會與應用場合。最后，應完善行業(yè)標準，傳統(tǒng)工業(yè)在引進增材制造工藝后應加入新的評價標準，有利于更好地規(guī)范行業(yè)和促進行業(yè)發(fā)展。目前增材制造在實際生產中多用于小批量復雜構件，還尚未形成較大的產業(yè)規(guī)模，而與傳統(tǒng)制造業(yè)相結合將會給增材制造產業(yè)規(guī)�；瘞�來契機。

單位簡介：
材料成形與模具技術國家重點實驗室是國家在材料成形、新材料和模具技術領域建設的國家重點實驗室。面向國民經濟和國防建設中的重大需求，圍繞材料制備與成形領域的基本科學問題和學科前沿，開展應用基礎研究和技術創(chuàng)新，突破關鍵科學技術問題，促進成果應用，在引領行業(yè)發(fā)展、以及國民經濟和國防建設中發(fā)揮不可替代的作用。

實驗室現(xiàn)有固定研究人員71人，其中教授62人，副教授6人。實驗室現(xiàn)已擁有中國工程院院士2名、杰出青年基金獲得者5名、長江特聘教授2名、青年長江1名、優(yōu)秀青年基金獲得者2名、教育部新世紀人才10名，教育部創(chuàng)新團隊2個，湖北省創(chuàng)新團隊4個。近年來，共投資近億元建設了先進的材料測試分析平臺、精密成形研究平臺、材料制備研究平臺、快速成形研究平臺。

實驗室已在材料成形過程模擬理論與方法、數(shù)字化模具設計制造技術、快速成形與快速制模技術、精密成形工藝與裝備、先進材料制備與應用等主要研究方向上形成了鮮明的特色和優(yōu)勢，取得了一系列突出成果。先后獲得了國家自然科學獎、技術發(fā)明獎和科技進步獎10余項，省部級獎勵50余項。其中，激光燒結成形技術方面的研究成果還被兩院院士評為2011年中國科技十大進展。近幾年來，共發(fā)表SCI學術論文1500余篇，獲授權發(fā)明專利200余項。研究成果已在國內2000余家企業(yè)、研究機構或高校中獲得應用，解決了航空航天、汽車、家電、機械等領域的成形制造技術難題，促進了行業(yè)技術進步，在國民經濟和國防建設中發(fā)揮了重要的作用。與此同時，實驗室的國際影響力也在不斷增強，研究成果被國際學術界評價為相關領域發(fā)展歷史上的里程碑，研究團隊被譽為是一支富有創(chuàng)新能力的研究隊伍，并被國際知名公司評選為“全球最佳創(chuàng)新合作伙伴”。

快速制造中心主要開展塑性成形制造技術與裝備、增材制造（亦稱為“3D打印”）技術與裝備、三維測量技術與裝備、等靜壓近凈成形技術、生物制造技術與裝備等六個方面的教學和科研工作，并取得了一系列成果。獲國家獎5項、省部級一等獎10余項、省部級二等獎10項余、專利獎4項、團隊人才獎10余項、研究生學位論文獎10余項；獲發(fā)明專利60多項；發(fā)表論文800多篇，被三大索引收錄500多篇；出版專著教材10余部；培養(yǎng)博士80多人、碩士400多人。有關研究成果被兩院院士評為“2011年中國十大科技進展”，并入選“2017年全國十大高校重大成果轉化項目”、“2016年湖北高校十大科技成果轉化項目”。

通信作者簡介：
史玉升，1962年生，華中科技大學華中學者領軍崗特聘教授�，F(xiàn)任數(shù)字化材料加工技術與裝備國家地方聯(lián)合工程實驗室（湖北）主任，國防科技創(chuàng)新特區(qū)主題專家組首席科學家，中國增材制造產業(yè)聯(lián)盟專家委員會委員，中國機械工程學會增材制造分會副主任委員，世界3D打印聯(lián)盟副理事長、湖北省3D打印聯(lián)盟理事長等職務。獲中國十大科技進展1項、國家技術發(fā)明二等獎1項、科技進步二等獎2項、省部級一等獎和二等獎各5項、國際發(fā)明專利獎2項、湖北省優(yōu)秀專利獎1項、湖北高校十大科技成果轉化項目1項。獲中國發(fā)明創(chuàng)業(yè)獎特等獎暨當代發(fā)明家、中國科學十大杰出創(chuàng)新人物、十佳全國優(yōu)秀科技工作者提名獎、國家政府特殊津貼、武漢市科技重大貢獻個人獎、湖北省五一勞動獎章等稱號。領導的團隊分別入選湖北省和教育部創(chuàng)新團隊，指導的研究生獲全國優(yōu)秀博士論文提名獎1篇、湖北省優(yōu)秀博士論文5篇、湖北省優(yōu)秀碩士論文3篇。